Лекция 8. Ферритовые циркуляторы. 2 Волноводный циркулятор на основе эффекта Фарадея. (поляризационный циркулятор)

Лекция 8

Ферритовые циркуляторы

Учебные вопросы

1. Назначение и классификация ферритовых циркуляторов. Их классификация. Обозначения на принципиальных схемах.

2. Волноводный циркулятор на основе эффекта Фарадея

(поляризационный циркулятор).

3. Фазовый циркулятор с двойным Т-мостом и волноводно-щелевым мостом.

4. Y-циркуляторы.

1. Назначение и классификация ферритовых циркуляторов. Их классификация. Обозначения на принципиальных схемах

Циркулятором называется развязывающее многоканальное устройство, в котором электромагнитные волны распространяются из одного канала в другой только в определенной последовательности.

Классификация циркуляторов представлена на рис. 1.

Рис. 1

Поляризационные циркуляторы используют в работе эффект Фарадея, а фазовые – используют мостовые схемы с ферритовыми пластинами.

Циркуляторы обладают рядом взаимосвязанных параметров, к которым можно отнести рабочий диапазон частот, полосу пропускания, КСВ на входе каждого плеча, прямые потери, обратное затухание, электрическую прочность, массу и габаритные размеры.

На рис. 2 представлено обозначение циркуляторов на принципиальных схемах. Слева – четырехплечий, справа – трехплечий (Y-циркулятор).

Рис. 2

2 Волноводный циркулятор на основе эффекта Фарадея

(поляризационный циркулятор)

Поляризационный циркулятор – это четырехплечее устройство, работа которого основана на эффекте Фарадея и поляризационной избирательности выходных плеч.

Конструкция циркулятора представлена на рис. 71.

Рис. 71

Круглый волновод 8 соединен плавными переходами с прямоугольными волноводами 1 и 2, широкие стенки которых повернуты друг относительно друга на 45⁰. Прямоугольные волноводы являются плечами 1 и 2 циркулятора. В них могут распространяться ЭМВ типа Н₁₀.

На оси круглого волновода укреплен с помощью пенополистиролового держателя 6 ферритовый стержень 5, который помещается в продольное подмагничивающее поле Н₀. Источником этого поля служит соленоид 7, напряженность поля которого подобрана такой, что ЭМВ, проходящая через стержень, вследствие эффекта Фарадея претерпевает поворот плоскости поляризации на 45⁰ против часовой стрелки, если смотреть по направлению вектора Н₀.

Плечи 3 и 4 представляют собой прямоугольные волноводы с волной типа Н₁₀. Они также повернуты друг относительно друга на 45⁰ и перпендикулярны широким стенкам волноводов 1 и 2 соответственно. Плечи 1…4 могут возбуждать в круглом волноводе 8 волну типа Н₁₁.

Принцип действия циркулятора, основанный на эффекте Фарадея, объясняется следующим образом. Распространяющаяся по циркулятору линейно поляризованная волна может быть представлена в виде суммы двух волн одинаковой амплитуды с круговой поляризацией правого и левого вращения (Е₊ и Е_–). Магнитная проницаемость продольно намагниченного феррита для этих волн различная (μ ₊ < μ _–). Следовательно, различны и их фазовые скорости (V_ф+ > V_ф–). Это приводит к тому, что результирующий вектор напряженности электрического поля (а следовательно, и плоскость поляризации) волны, прошедший феррит, поворачивается на угол

где – фазовые набеги право- и левополяризованной волн;

k₊, k_– – их коэффициенты распространения;

l – длина ферритового стержня.

Длина ферритового стержня, его диаметр и величина напряженности подмагничивающего поля Н₀ выбираются такими, чтобы после прохождения стержня плоскость поляризации волны поворачивалась бы на 45⁰.

Следует рассмотреть прохождение электромагнитной энергии через циркулятор при подключении генератора к плечу 1, плечи 2…4 при этом подключены к согласованным нагрузкам (рис. 72а). Поступающая в виде волны Н₁₀ в прямоугольном волноводе в 1-е плечо энергия преобразуется плавным переходом в волну Н₁₁ в круглом волноводе. Дойдя до плеча 3 циркулятора, волна Н₁₁ его не возбуждает, так как вектор напряженности электрического поля волны Н₁₁ оказывается параллельным широким стенкам прямоугольного волновода плеча 3 и это плечо, следовательно, представляет собой запредельный волновод. После прохождения ферритового стержня плоскость поляризации волны Н₁₁ повернется на угол 45⁰ против часовой стрелки. Подойдя к плечу 4 циркулятора, волна Н₁₁ также его не возбуждает, поскольку широкие стенки его прямоугольного волновода также оказываются параллельными силовым линиям напряженности электрического поля, поскольку это плечо повернуто (если смотреть со стороны плеча 1) также на угол 45⁰ против часовой стрелки и поэтому является запредельным. Далее ЭМВ типа Н₁₁ в круглом волноводе преобразуется плавным переходом в волну Н₁₀ в прямоугольном волноводе, причем ориентация плоскости поляризации в пространстве сохраняется. Таким образом, силовые линии вектора Еволны Н₁₀ у плеча 2 циркулятора оказываются перпендикулярными широким стенкам волновода этого плеча (оно же развернуто на 45⁰ против часовой стрелки, если смотреть со стороны плеча 1), следовательно, это плечо не является запредельным, и энергия проходит в него. Таким образом, энергия из плеча 1 проходит в плечо 2.

Рис. 72

При подключении генератора к плечу 2 энергия поступит в плечо 3, аналогично при подключении генератора к плечу 3 энергия проходит в плечо 4 и, наконец, при подключении генератора к плечу 4 энергия поступает в плечо 1 (рис. 72б…г). В этом нетрудно убедиться, если учесть то обстоятельство, что эффект Фарадея носит невзаимный характер, то есть, независимо от направления движения ЭМВ, плоскость поляризации поворачивается всегда против часовой стрелки, если смотреть по направлению подмагничивающего поля.

Таким образом, при выбранной ориентации вектора напряженности подмагничивающего поля циркулятор реализует последовательность передачи энергии вида . Нетрудно убедиться, что при изменении ориентации вектора Н₀на противоположную последовательность прохождения энергии между плечами примет вид: .

Несомненным достоинством поляризационного циркулятора является малая величина напряженности подмагничивающего поля, что позволяет получить быстродействующие ВЧ переключатели, позволяющие производить переключение каналов за время, не превышающее 15 мкс. Их недостатком являются сравнительно большие габаритные размеры и невысокая (около –20 дБ) развязка между каналами.

3 Фазовый циркулятор с двойным Т-мостом и волноводно-щелевым мостом

Он относится к фазовым циркуляторам и состоит из двойного волноводного Т-моста со «свернутыми» плечами основного волновода, двух невзаимных ферритовых фазовращателей и волноводно-щелевого моста.

Фазовращатели по сути образуют СДФС. На них подается поперечное подмагничивающее поле, величина которого, а также параметры ферритовых пластин способствуют образованию дифференциальных фазовых сдвигов в одном направлении распространения волны 0⁰, а в противоположном – π /2 (рис. 73).

Пусть энергия поступает в плечо 1 циркулятора. Она делится поровну и в фазе между «свернутыми» плечами А и Восновного волновода и не поступает в плечо 3 (по свойству Т-моста). Распространяясь далее по верхнему и нижнему волноводам, ЭМВ приобретут фазовые набеги в фазовращателях, причем в нижнем волноводе волна приобретает запаздывание по фазе на π /2 по сравнению с волной в верхнем волноводе. Щелевым мостом каждая половина мощности делится еще пополам, причем волны, проходя из верхнего волновода в нижний и наоборот, в обоих случаях получают запаздывание на π /2. Если теперь просуммировать результирующие фазовые сдвиги, то окажется, что волны, пришедшие двумя путями к плечу 4, отличаются по фазе на величину Δ φ ₄ = 0 – (–π /2 –π /2) = π, а к плечу 2 – на величину Δ φ ₂ = –π /2 – (–π /2) = 0. Поскольку амплитуды волн, пришедших к входам плеч 2 и 4 одинаковы, то на входе плеча 4 ЭМВ взаимно компенсируются, а в плече 2 складываются синфазно. Таким образом, электромагнитная энергия из плеча 1 проходит только в плечо 2.

Рис. 73

Построением путей прохождения волн по верхнему и нижнему волноводам и подсчетом результирующих фазовых сдвигов можно убедиться, что из плеча 2 энергия поступает в плечо 3, из плеча 3 ЭМВ поступят в плечо 4, из плеча 4 – в плечо 1. Следовательно, в рассмотренном циркуляторе реализуется последовательность передачи энергии между плечами вида . При изменении ориентации вектора подмагничивающего поля на противоположную в циркуляторе будет реализована последовательность прохождения энергии между каналами вида .

Сравнивая поляризационные циркуляторы с фазовыми, необходимо отметить существенные преимущества последних в отношении возможности работы их при больших уровнях мощности. Это объясняется несколькими причинами: делением мощности между двумя каналами, хорошей теплоотдачей ферритовых пластин стенкам волновода, нахождением пластин не в максимуме электрического поля. Кроме того, в фазовых циркуляторах обеспечивается большая развязка между каналами (порядка 40 дБ). Однако для работы фазовых циркуляторов требуется большая напряженность подмагничивающего поля, что является их недостатком при использовании в качестве быстродействующих переключателей.

Рассмотренный циркулятор используется в волноводном тракте ПРЛ в качестве вентиля-циркулятора и будет более подробно рассмотрен в следующей главе, посвященной антенным переключателям.